3. История развития понятия «биосфера». Учение о биосфере Вернадского. Определение биосферы, ее структура и границы. Виды вещества в биосфере по Вернадскому. Функции живых организмов в биосфере.

Идея о влиянии жизни на природные процессы на огромных пространствах Земли была впервые научно обоснована на рубеже XIX и XX столетий в трудах Докучаева, который указал на зависимость типа почвообразования не только от климата, но и от совокупного влияния растительности и животных. В 20-х годах нашего века в трудах Вернадского было разработано представление о биосфере как глобальной еди­ной системе Земли, где весь основной ход геохимических и энер­гетических превращений определяется жизнью. Биосферой Вернадский назвал ту область нашей плане­ты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов. Всю совокупность организмов на планете Вернадский на­звал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию. Косное вещество по Вернадскому, это совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют. Биогенное вещество, создается и перерабатывается жизнью, со­вокупностями живых организмов. Это источник чрезвычайно мощ­ной потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известня­ки, нефть). После образования биогенного вещества живые орга­низмы в нем малодеятельны. Особой категорией является биокосное вещество. Вер­надский писал, что оно «создается в биосфере одновременно жи­выми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других». Биокосное вещество планеты - это почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства ко­торых зависят от деятельности на Земле живого вещества.

Биосфера, таким образом, это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. С современных позиций био­сферу рассматривают, как наиболее крупную экосистему планеты, поддерживающую глобальный круговорот веществ.

Современная жизнь распространена в верхней части земной ко­ры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки Земли (ат­мосферы) и в водной оболочке Земли (гидросфере).

В глубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает прежде всего тем­пература горных пород и подземных вод, которая постепенно воз­растает с глубиной и на уровне 1,5-15 км уже превышает 100°С. Самая большая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены бактерии, составляет 4 км. В нефтяных месторожде­ниях на глубине 2-2,5 км бактерии регистрируются в значитель­ном количестве. В океане жизнь распространена до более зна­чительных глубин и встречается даже на дне океанических впа­дин в 10-11 км от поверхности, так как температура там около 0°С. Однако, по Вернадскому, нижнюю границу биосферы следует проводить еще глубже. Постепенно накапливающиеся в океане гигантские толщи осадочных пород, происхождение ко­торых связано с деятельностью живых существ, - это тоже части биосферы. Метаморфические породы земной коры, происходящие из оса­дочных, в конечном итоге также производные жизни.

Верхняя граница жизни в атмосфере определяется нарастанием с высотой ультрафиолетовой радиации. На высоте 25-27 км боль­шую часть ультрафиолетового излучения Солнца поглощает нахо­дящийся здесь тонкий слой озона - озоновый экран. Все живое, поднимающееся выше защитного слоя озона, погибает. Атмосфера же над поверхностью Земли насыщена многообразными живыми организмами, передвигающимися в воздухе активным или пассивным способом. Споры бактерий и грибов обнаруживают до высо­ты 20-22 км, но основная часть аэропланктона сосредоточена в слое до 1-1,5 км. В горах граница распространения наземной жизни около 6 км над уровнем моря.

Более 99% энергии, поступающей на поверхность Земли, со­ставляет излучение Солнца. На Земле существует один-единственный процесс, при кото­ром энергия солнечного излучения не только тратится и пере­распределяется, но и связывается, запасается на очень длитель­ное время. Этот процесс - создание органического вещества в хо­де фотосинтеза. Сжигая в топках каменный уголь, мы освобож­даем и используем солнечную энергию, запасенную растительно­стью сотни миллионов лет назад.

Основная планетарная функция живого вещества на Земле заключается, таким образом, в связывании и запасании солнечной энергии, которая затем идет на поддержание множества дру­гих геохимических процессов в биосфере.

За время существования жизни на Земле живое вещество превратило в химическую работу огромное количество солнечной энер­гии. Значительная часть ее в ходе геологической истории накопи­лась в связанном виде. Для современной биосферы характерны залежи угля и других органических веществ, образовавшихся в палеозое, мезозое и кайнозое. В биосфере в результате жизнедеятельности микроорганизмов в больших масштабах осуществляются такие химические процес­сы, как окисление и восстановление элементов с переменной ва­лентностью (азот, сера, железо, марганец и др.). Микроорганизмы - восстановители гетеротрофны, используют в качестве источника энергии органические вещества. К ним относятся денитрифици­рующие и сульфатредуцирующие бактерии, восстанавливающее из окисленных форм азот до элементарного состояния и серу до сероводорода.

За счет жизнедеятельности огромного числа гетеротрофов, в основном грибов, животных и микроорганизмов, происходит ги­гантская, в масштабах всей Земли, работа по разложению орга­нических остатков. При деструкции органической массы проте­кают два параллельных процесса. Разложение органических со­единений в конечном счете до углекислого газа, аммиака и воды, а в анаэробных условиях еще и до водорода и углеводородов пред­ставляет процесс минерализации. Продукты минерализации вновь используются автотрофами.

Процесс разложения органических веществ, при котором осво­бождается химическая энергия, характерен для всех частей био­сферы, где есть живые организмы, тогда как фотосинтез протека­ет только на поверхности суши и в верхнем слое водоемов. Эта некоторая несбалансированность процессов синтеза и раз­ложения органических веществ в биосфере определила кислород­ный режим современной воздушной оболочки Земли.

Продуцируя и потребляя газообразные вещества, организмы биосферы поддерживают постоянство состава воздушной оболоч­ки Земли.

Живое вещество перераспределяет атомы в биосфере. Многие организмы обладают способностью накапливать, концентрировать в себе определенные элементы, несмотря на часто ничтожное со­держание их в окружающей среде. Например, литотамниевые водоросли накапливают в своих телах до 10% магния, в раковинах брахиопод содержится около 20% фосфора, в серных бактериях = до 10% серы. Многие организмы концентрируют кальций, крем­ний, натрий, алюминий, иод. Отмирая и захораниваясь в массе, они образуют скопления этих веществ.